“探究加速度与力、质量的关系”实验创新教学实录

白凡

摘 要：牛顿第二定律是动力学的核心规律， 学生通过实验探究加速度、质量、力三者的关系，满足了学生的好奇心和求知欲，学生先学习教材中的实验设计思路，明确实验的原理和基本方向，再自行设计并展开自助式实验，为学生创造环境，学生在实验中学会像科学家那样思维，自己构想实验方法，从物理现象的观察和物理实验的研究分析中归纳出结论，使学生的思维得到训练。

关键词：自主设计；创新；合作探究

在《普通高中物理课程标准》共同必修模块“物理1”中涉及本节的内容有：“通过实验，探究加速度与物体质量、物体受力的关系，理解牛顿第二定律。” 即要求学生通过实验，探究加速度、质量、力三者的关系，强调让学生经历实验探究过程。

牛顿第二定律是动力学的核心规律，动力学又是经典力学的基础，也是进一步学习热学、电学等其他部分知识所必须掌握的内容，所以牛顿第二定律是本章的中心内容，更是本章的教学重点。同时也是必修一整本书的制高点。

在学习这一内容之前，所教的学生已经掌握了力、质量、加速度、惯性等概念；知道质量是惯性的量度、力是改变物体运动状态的原因；会分析物体的受力。已具备一定的实验操作技能，会用气垫导轨与光电测时系统或打点计时器研究匀变速直线运动；具备一定的计算机操作能力，会应用CAI课件处理实验数据。对物理学的研究方法已有一定的了解。

高一的学生有较强的好奇心和求知欲，乐于探究，敢于坚持观点，勇于修正错误；喜欢和同龄人一起学习，在自主学习、合作探究方面具备一定的能力，能将自己的见解与他人交流，具有团队精神。

本节教学注重学生学习过程的亲身体验，教师的任务是制订目标，组织教学活动，控制教学活动的进程，排除障碍，充分发挥学生的主体作用。学法上突出学生自主发现问题，让学生参与实验的设计、开展合作探究，引导分析总结等以学生为主体的活动，关注学生在课堂中的个体差异，不断引导学生学习。

本节内容分两个课时进行教学。学生先学习教材中的实验设计思路，明确实验的原理和基本方向，再自行设计并展开自助式实验，为学生创造环境，充分发挥他们的主观能动性和创造力。

第一课时，首先提出要研究的问题，鼓励学生猜想并初步设计实验方案，与教材进行对比，理解教材中的实验设计思路，接着按教材的方案展开探究，分析实验数据，分析误差的來源（系统误差和偶然误差）并得出结论。在这一过程中引导学生讨论并发现这种实验方案存在的不足，思考解决办法或重新设计实验方案。

学生经历“提出问题—猜想假设—设计方案—实验验证”的科学探究过程，了解科学研究的基本环节；在边实验、边讨论中学生对探究实验方案的可操作性、合理性和严谨性深入思考、提出质疑并研究改进或创新的办法，使学生的思维得到训练。

第二课时，采用自助式实验，先将学生分成6人一小组，各学生在组内展示自己设计的实验思路及实验数据的分析方法，经小组讨论选定一种实验方案，教师提供实验所需仪器、装置，分小组展开实验。

具体教学过程如下：

第一课时

【引入新课】

教师提供实验器材（小车、弹簧秤等），学生通过动手操作，讨论分析物体的加速度与质量、外力之间的定性关系，教师提出本节任务：探索三者之间的定量关系。

【学生讨论教材的实验方案】

学生初步设想实验的方案，讨论教材的实验步骤，围绕教师提出的问题理解实验原理和方法。

教师提出的问题：M是哪个物体的质量？

F指的是什么力？

为什么要平衡摩擦力？

如何平衡摩擦力？

a是哪个物体的加速度？

方向如何？

两物体的加速度有何关系？

如何分别研究a与F、a与M的关系，并猜想它们之间的关系？

对以上问题的解答，能使学生明确实验的研究对象，并知道利用控制变量法来研究。为学生自主改进实验、设计实验指明大致方向。

【学生进行实验探究】

学生按教材的实验装置-开展实验探究-分析实验数据（列表法、图像法），并得出结论。

预测：这一阶段学生对于小车所受的拉力等于钩码重量基本不会提出质疑，对平衡摩擦力的实际操作困难估计不足。

学生在实验中讨论出现的问题、提出改进的方法。

1. 平衡阻力

预测：小车在轨道上运动时，各处所受的阻力不均匀，小车的运动也不均匀，因此不易由此判断小车受到阻力的影响已被消除。

2. 保持小车质量不变，改变钩码质量，探究加速度与力的关系

预测：学生选择钩码和小车时，没有使钩码质量远小于小车质量。

3. 学生记录实验数据、讨论数据的分析方法

学生已掌握运用逐差法求加速度，也学过v-t图像的斜率表示加速度，知道可用图像法表示两物理量之间的关系从而想到分别画出a-F图像和a-M图像，其中a-M图像无法直接反映加速度与质量的关系，可先让学生猜想、讨论，而后利用Excel软件进行曲线拟合与图线转换，分析得到a与M成反比关系。学生将图像反映的关系用数学公式表达出来，形成物理规律。

预测：可能出现的问题

Ⅰ：未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足，则图线在a轴上有截距。

Ⅱ：横坐标F=mg，则{an}，图像斜率a3+a4=18，在a3a4=72时，m变化，斜率k也近似不变，若不满足a7，斜率k随m的增大而明显减小，图线出现弯曲。

Ⅲ：画出a与M关系的图线，将得到图Ⅲ所示的图线，无法直接分析它们之间的关系，需要引导学生联系数学所学的函数图像，猜想a与M的关系是否成反比，并画出a-1/M图像进行验证。

Ⅳ：画出a-1/M图像，a5/a3=q2，即a7=24，斜率a7=3，a7=a52/a3时，M的变化几乎不改变k，若不满足a3=6，则M越小a越大，k随M的减小而增大。

教师展示典型的实验数据及分析结果，全体学生讨论实验误差的产生原因，引发学生讨论课本实验方案的不足及改进方法。在这基础上教师鼓励学生自己设计实验方案、选择仪器，尽量减小误差。

【布置作业】

设计实验方案，写一份实验报告

第二课时

【学生分组讨论】

学生6人为一小组，在组内展示自己设计的实验思路及实验数据的分析方法，小组讨论其可操作性、合理性和严谨性，提出修改意见，最后每个小组选定一种实验方案。

预测可能的方案：

1. 在平板上固定一对光电门，若小车经过它们用时相等，则说明小车匀速运动，可以迅速判断出已平衡摩擦力，另外，由两光电门的距离、小车通过它们所用的时间、遮光条的宽度，就能计算出小车的加速度，这种方案与教材中的相比，能节约时间，提高效率。

2. 采用等效法测力。调节垫块高度，使小车能沿斜面匀速下滑，这时有a7=12，将砂桶撤去，小车因受重力而沿斜面匀加速下滑，此时有a5，与上式比较可得±62，说明砂桶的重力恰好等于小车自由下滑时使小车产生加速度a的实际作用力F。这样称出m就“称出”了F的大小。

3. 在方案1的基础上用气垫导轨装置替换滑板小车，气垫导轨不需要平衡摩擦力，只需调节导轨水平，其余做法与方案1一致。

4. 在方案3的基础上，利用拉力传感器测出滑块所受的拉力，这样减小了由于砂桶质量m无法远小于滑块质量M而造成的误差，但滑轮的阻力会导致新的测量误差。

5. 在方案3的基础上，将研究对象改为砂桶和滑块组成的系统，小桶中装橡皮泥，在研究a与F的关系时，只需将小桶中的橡皮泥逐步减少，减少部分粘到滑块上，这样就能保持系统的总质量不变，只改变合外力F。研究a与M的关系时，不改变小桶中橡皮泥的质量，只增加或减少滑块上的橡皮泥，测出每次对应的系统总质量即可。

这种方案除了具备方案3的优点外，还能避免由于砂桶质量m无法远小于滑块质量M而产生的误差。

以上是學生可能设计的部分较典型的实验方案，都给予积极的评价，尊重学生的劳动，鼓励他们按照自己的想法展开实验。

【学生自助实验】

学生根据小组选定的实验方案，自主选用所需的实验仪器、装置，分小组展开实验，教师巡视、协助并指导。

【学生展示实验成果】

学生通过实验，得到实验数据，小组讨论分析数据。选取两个小组展示本组的探究方法和探究成果，可以利用软件（教师提供）协助分析，得出结论：62或F=kMa.

说明：在国际单位制中，定义1 N=1 kg·m/s2就可以得出牛顿第二定律F=Ma。然后进行合理的外推，当物体受几个力作用而做加速运动时，F应为合力。

学生在这一过程中学习用图像和数学公式表示物理规律的方法，体会物理规律的简洁美。

总结：

第一，本节课分为两个课时，给学生充分的时间进行思考和讨论，改演示实验为学生分组探究实验，让学生参与实验的设计，在问题不断呈现和解决中培养学生的思维。第二，采用自助式实验，充分尊重学生，能最大限度地调动学生积极性。第三，教学具有生成性，学生的表现无法准确预测，需要在课堂上灵活应变。

参考文献：

[1]邹建平.问题导学主动探究——“牛顿第二定律的应用——弹簧情境问题分析”教学设计[J].中学课程辅导（江苏教师），2011，（12）：32-33.